Préparations des échantillons

a. Populations étudiées

Une grande partie des expérimentations menées sur l‟os trabéculaire sont réalisées sur des sujets humains sains, homme ou femme [CAR77], [KOP98], [FOL02]. La population testée est en moyenne âgée de 40 et 80 ans. Pour des raisons d‟éthique, aucune caractérisation n‟est menée sur de jeunes sujets. Pour pallier aux limites d‟expérimentation sur sujet humain, des travaux sont également entrepris sur des échantillons extraits d‟animaux (ovin, bovin ou canin le plus généralement) [ZYS94], [MIT97], [GUE06].

De part leurs facilités d‟extraction, les échantillons testés sont principalement prélevés dans des fémurs [MOR01], des tibias [CAR77] ou des vertèbres [KOP98]. Quelques cas de caractérisation d‟os spongieux extraits du crâne [MEL70], de la scapula [MAN98], de l‟humérus [GOU94] ou du calcanéum [FOL02] sont toutefois référencés.

b. Protocole d’extraction

Deux procédures de prélèvement d‟échantillons d‟os spongieux sont suivies. La pre-mière consiste à extraire des échantillons cylindriques au moyen d‟un carottier. La deuxième méthode consiste à prélever des échantillons cubiques au moyen d‟une scie diamantée à son extrémité. Dans les deux cas, un jet d‟eau en continu minimise l‟échauffement des échantillons. La vitesse d‟approche des outils de coupe est contrôlée afin de minimiser tout endommagement de l‟architecture par cisaillement. Le prélèvement de travées pour la caractérisation du tissu trabéculaire est réalisé au moyen d‟une lame de scalpel ou d‟une lame de rasoir.

c. Géométrie des échantillons

Afin de ne solliciter que le réseau trabéculaire ou son tissu constitutif, un usinage d‟éprouvettes est préalablement nécessaire. Pour les échantillons d‟os spongieux, les auteurs privilégient une géométrie d‟échantillon cylindrique ou parallélépipédique [MEL70], [MAN98], [FOL02]. Pour une section apparente équivalente, les différences de comportement en com-pression entre des échantillons cubiques et des échantillons cylindriques (pour un rapport de 1 entre la hauteur de l‟éprouvette et sa section) sont peu significatives (variations du module ap-parent, de la contrainte ultime et de la déformation ultime inférieures à 2%) [LIN92]. Les

échan-tillons cylindriques permettent de minimiser le phénomène de concentration de contrainte, par l‟absence d‟arêtes. Les échantillons cubiques permettent une étude de l‟anisotropie architectu-rale et mécanique. Toutefois, cette géométrie est à l‟origine d‟importantes concentrations de contraintes le long des arêtes du cube. Si ces propos sont vrais pour des matériaux de l‟ingénieur (type lopin d‟acier), on peut se poser la question pour des matériaux à architecture cellulaire.

Il n‟existe pas, à l‟image de matériaux plus conventionnels, de dimensions normalisées d‟échantillon d‟os spongieux, qu‟il soit cylindrique ou cubique. La nécessité d‟englober un vo-lume de porosité suffisamment important et d‟assurer la continuité du réseau trabéculaire appa-rait toutefois nécessaire (Volume Elémentaire Représentatif (VER)). Dans ces conditions, une dimension de 5 mm est identifiée par plusieurs auteurs [BRO80], [HAR88] comme étant la taille minimale d‟un échantillon. Toutefois, Linde et al. 1992 [LIN92] mettent en évidence qu‟une taille d‟échantillon plus importante induit une meilleure reproductibilité des essais et donc une réduc-tion des dispersions. Les études relevées dans la littérature [ZYS94], [FRI97], [FOL02] sont réalisées sur des échantillons cubiques ou cylindriques de 6 à 10 mm de côté ou de diamètre. Dans le cas d‟échantillons cylindriques, un rapport de 1 à 2 entre la hauteur de l‟éprouvette et son diamètre est préconisé. Linde et al. 1992 [LIN92] montrent ainsi une meilleure reproductibi-lité des réponses pour un rapport h/D de 2. Toutefois, les échantillons de fort élancement mon-trent également une sensibilité prononcée aux phénomènes d‟instabilités par flambement glo-bal. Linde et al. 1992 [LIN92] préconisent également une géométrie d‟échantillon cubique de 6,5 mm de côté et une géométrie d‟échantillon cylindrique de 7,5 mm de côté et 6,5 mm de hauteur afin de rendre comparable le comportement de ces différentes géométries.

Pour permettre la caractérisation du tissu constitutif des travées, aucune dimension par-ticulière n‟est relevée dans la littérature ; la seule contrainte évidente étant le prélèvement d‟une unique travée de longueur suffisante [FOL02] pour être testée mécaniquement.

d. Conservations

L‟expérimentation sur tissus biologiques in vitro nécessite de conserver des propriétés mécaniques tissulaires proches du comportement in vivo afin d‟identifier une loi de comporte-ment valide. Delille et al 2007 [DEL07] mettent ainsi en évidence, par analyse vibratoire, une augmentation au cours du temps de la rigidité d‟une omoplate de bœuf conservée à l‟air libre (de quelques jours jusqu'à 365 jours après décès de l‟animal). La nécessité de réaliser les es-sais dans les meilleurs délais (peu de temps après décès) est donc évidente. Toutefois, leur réalisation sur Sujet Humain Post Mortem (SHPM) dits « frais » (moins de 15 jours après décès de la personne) est limitée pour des raisons d‟éthiques ou sanitaires. Les auteurs ont donc ré-gulièrement recours à divers processus de conservation avant prélèvement de leurs échantil-lons ou avant sollicitations mécaniques des échantiléchantil-lons.

Deux techniques de conservation sont couramment utilisées :

- Les liquides de conservation : les tissus biologiques sont immergés dans un sol-vant (éthanol ou formol) couplé à une solution saline (sérum physiologique).

- La congélation : Les tissus sont immergés dans une solution saline puis congelés. Cette technique consiste à abaisser la température du tissu et à la maintenir en dessous de la température de fusion de la glace, entre -20°C et -70°C.

Influence des liquides de conservation (formol ou éthanol)

La conservation de l‟os cortical dans une solution à 10% de formol n‟entraine pas de modification significative (inférieure à 5%) des propriétés élastiques du tissu [CUR95], [SED65]. Goh et al. [GOH89] confirment ces propos par l‟absence d‟effets sur la rigidité ou sur la contrainte maximale du tissu sur des échantillons d‟os cortical sollicités en flexion 4 points ou en torsion. Toutefois, ces auteurs observent une mo-dification significative de l‟énergie absorbée suite à ce mode de conservation. Wea-ver [WEA66] met également en évidence un accroissement de 20% de la dureté de tissus osseux à la suite de leur conservation dans du formol. Les alcools employés semblent donc avoir un effet déshydratant sur les tissus osseux, les rendant plus fragiles.

Des constations similaires peuvent être faites pour une conservation des tissus dans de l‟éthanol. Une solution à 40% ou à 50% d‟éthanol couplée à une solution saline ne modifie pas les propriétés élastiques de l‟os cortical [SED65], [ASH82]. De la même manière, une conservation dans de l‟éthanol à 70% pendant 100 jours n‟entraine pas de modification des propriétés élastiques de l‟os spongieux mais ré-duit significativement (34%) la quantité d‟énergie absorbée [LIN93].

Influence de la congélation

Plusieurs travaux ont étudiés l‟influence de la congélation sur les propriétés méca-niques des tissus osseux. La congélation apparait comme un bon moyen de conser-vation à moyen terme. Ainsi différents auteurs [SED65], [WEA66], [PEL84], [GOH89], [LIN93] n‟ont pas constaté d‟influence significative d‟une congélation à -20°C sur des tissus osseux pendant moins de 100 jours. Sur une durée de conser-vation supérieure, des modifications plus significatives (augmentation du module de plus de 200%) sont constatées [DEL07]. Pour une température de congélation supé-rieure (de -70°C et -196°C), Pelker et al. [PEL84] montrent un accroissement de la rigidité des tissus (respectivement 25% et 68%).

e. Extraction de la moelle osseuse

Dans une première approche, des auteurs [CAR77], [LIN76], [DEN09] extraient la moelle osseuse d‟échantillons d‟os spongieux afin de caractériser leur densité relative et le comportement de l‟architecture trabéculaire. D‟autres auteurs [MOR01], [FOL02], [BAN02] réa-lisent également une extraction de la moelle de leurs échantillons après essais afin de caracté-riser leurs densités relatives, réelles ou minérales. La nécessité d‟employer une technique effi-cace d‟extraction est donc évidente ; celle-ci doit se montrer la moins corrosive possible afin de

minimiser l‟altération des propriétés architecturales et matérielles de l‟os spongieux. Deux mé-thodes principales sont rapportées dans la littérature :

- Extraction de la moelle à l‟aide d‟un solvant chimique (acétone, éthanol) couplée à une action mécanique (centrifugation, jet d‟air),

- Extraction de la moelle à l‟aide d‟un jet d‟eau sous haute pression.

Peu d‟études s‟intéressent aux conséquences d‟une telle opération sur le matériau constitutif des travées. Linde et al. [LIN93] montrent toutefois que l‟utilisation d‟un solvant lors de la phase d‟extraction entraine une augmentation de la rigidité de 30% et une diminution de l‟énergie dissipée de 50%. L‟étude bibliographique menée sur l‟utilisation de solvants comme moyen de conservation a mis en évidence une modification similaire du comportement. Dans les deux cas, les tissus sont déshydratés, rendant le matériau plus fragile.